Все видели, как тоненький росток одуванчика или молоденькая береза раскалывает асфальт и бетонные плиты толщиной в несколько сантиметров. До последнего времени это считалось просто проявлением грубой силы. Новое исследование, опубликованное в журнале Nature, доказало обратное — это высокоточная биоинженерия, отшлифованная миллионами лет эволюции.
Почему уплотнение почвы — глобальная катастрофа
Тяжелая сельхозтехника, многолетнее выпасание скота и эрозия превращают плодородную землю в плотную корку. Корни большинства культурных растений просто не могут пробиться глубже 20–30 см. В результате корневая система остается поверхностной, не достает до глубоких запасов влаги и питательных веществ. При первой же засухе посевы гибнут. По данным FAO (Продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН), ежегодные потери мирового сельского хозяйства от уплотнения почвы превышают 60 миллиардов долларов.
Один и тот же трюк для поля и тротуара
Британские биологи из Ноттингемского университета под руководством доктора Бипина Панди несколько лет изучали корни риса и обнаружили удивительную вещь: точно такой же механизм, который позволяет сорнякам раскалывать бетон, работает и в обычной уплотненной почве.
Как только кончик корня встречает непреодолимое сопротивление, в окружающих клетках резко возрастает концентрация газообразного гормона этилена. Это сигнал тревоги.
«Когда почва уплотняется, вокруг корня накапливается этилен. Корень чувствует этот сигнал и начинает полностью перестраивать свою структуру», — рассказывает доктор Панди.
Перестройка за считанные часы
Этилен мгновенно активирует ген OsARF1. Тот действует как главный переключатель: в среднем слое клеток корня (эндодерме) производство целлюлозы резко падает. Клетки теряют жесткость, становятся тонкими и эластичными, наполняются водой под огромным давлением тургора и начинают разбухать в стороны, создавая давление до 10–15 атмосфер — как гидравлический домкрат.
Одновременно внешний слой клеток — эпидермис и гиподерма — получает противоположную команду. Там синтез целлюлозы и лигнина усиливается в разы, стенки утолщаются и деревенеют, превращаясь в настоящую броню. Так получается идеальная инженерная конструкция: мягкая, расширяющаяся сердцевина и сверхжесткая внешняя оболочка. Именно поэтому тонкий корешок способен раздвигать частицы плотной почвы.
«Другими словами, корень ведет себя как идеально спроектированный механический объект: чем шире структура и прочнее ее внешняя оболочка, тем лучше он может противостоять изгибу под давлением», — поясняет Бипин Панди.«Удивительно видеть, как растения используют механические стратегии, которые отражают принципы, используемые в гражданском строительстве. Природа решила проблему сопротивления почвы элегантным и высокооптимизированным способом», — добавляет профессор Стаффан Перссон из Копенгагенского университета
От сорняков к новым сортам
Теперь селекционеры знают точную мишень. Достаточно усилить чувствительность к этилену или поднять активность гена OsARF1 — и новые сорта пшеницы, кукурузы, сои и риса сами будут превращаться в живые клинья, пробивая уплотненную почву и корки полей на глубину до метра и больше. Такие растения смогут пережить длительные засухи, резко снизят потребность в поливе и дадут стабильный урожай даже на самых деградированных землях.
Учитывая, что площадь уплотненных почв в мире уже превышает 68 миллионов гектаров и продолжает расти из-за климатических изменений и механизации, это открытие может стать одним из главных инструментов продовольственной безопасности XXI века.
Это растение выжило в открытом космосе 9 месяцев и удивило биологов
Кофе, шоколад и вино могут исчезнуть: предупреждают геоинженеры
Подписывайтесь и читайте «Науку» в Telegram